JP2007157508A - Gas liquid separator and fuel cell power generation system with gas liquid separator - Google Patents
Gas liquid separator and fuel cell power generation system with gas liquid separator Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007157508A JP2007157508A JP2005351268A JP2005351268A JP2007157508A JP 2007157508 A JP2007157508 A JP 2007157508A JP 2005351268 A JP2005351268 A JP 2005351268A JP 2005351268 A JP2005351268 A JP 2005351268A JP 2007157508 A JP2007157508 A JP 2007157508A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- liquid
- fuel cell
- main body
- phase fluid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、多孔質の毛細管力を利用した気液分離装置およびそのような気液分離装置を備えた燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a gas-liquid separation device using a porous capillary force and a fuel cell power generation system including such a gas-liquid separation device.
近年、高効率のエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。特に、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、コンパクトな構造で高い出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく宇宙用や移動用などの電源として注目されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient energy conversion devices. In particular, solid polymer fuel cells that use proton-conducting solid polymer membranes as electrolytes have a compact structure and high power density, and can be operated with a simple system. It is attracting attention not only as a power source but also as a power source for space and mobile use.
このような固体高分子形燃料電池発電システムとして知られている従来技術の概略を、図6を用いて以下に説明する。このシステムは、燃料電池本体1と、前記の燃料電池本体1に反応ガスを供給する反応ガス供給系2と、前記燃料電池本体1から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系3と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系4を主要モジュールとして構成されている。以下に主要モジュールを詳細に説明する。 The outline of the prior art known as such a polymer electrolyte fuel cell power generation system will be described below with reference to FIG. This system includes a fuel cell main body 1, a reaction gas supply system 2 for supplying a reaction gas to the fuel cell main body 1, and a water recovery for recovering water contained in the existing reaction gas discharged from the fuel cell main body 1. The system 3 and the battery body cooling system 4 for removing heat generated in the battery body are configured as main modules. The main modules are described in detail below.
燃料電池本体1は、固体高分子膜の両面にガス拡散電極(燃料極1aおよび酸化剤極1b)をそれぞれ配置した膜電極複合体と、燃料ガスおよび酸化剤ガスを前記ガス拡散電極にそれぞれ供給するための反応ガス供給溝を設けた反応ガス供給セパレータとからなる単位電池を、発電の際に発生する熱を除去する冷却板1cを介して複数積層した構成である。また、個々の反応ガス供給セパレータへの反応ガス供給または個々の反応ガス供給セパレータからの反応ガス排出のための、反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドを前記の積層体側面に設けている。固体高分子膜としては、プロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸(ナフィオンR:米国、デュポン社)が一般的に知られている。また、ガス拡散電極としては白金等を触媒とする触媒層を形成したカーボン多孔質板が一般的に用いられている。 The fuel cell main body 1 supplies a membrane electrode complex in which gas diffusion electrodes (fuel electrode 1a and oxidant electrode 1b) are arranged on both sides of a solid polymer membrane, and fuel gas and oxidant gas to the gas diffusion electrode, respectively. In this configuration, a plurality of unit cells each including a reaction gas supply separator provided with reaction gas supply grooves are stacked through a cooling plate 1c that removes heat generated during power generation. In addition, a reaction gas supply manifold and a reaction gas discharge manifold for supplying a reaction gas to each reaction gas supply separator or discharging a reaction gas from each reaction gas supply separator are provided on the side surface of the laminate. As the solid polymer membrane, perfluorocarbon sulfonic acid (Nafion R: DuPont, USA), which is a proton exchange membrane, is generally known. As the gas diffusion electrode, a carbon porous plate having a catalyst layer using platinum or the like as a catalyst is generally used.
前記の燃料電池本体1に水素を主成分する燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)を供給すると、それぞれの単位電池で下記の電気化学反応が進行し、それぞれの単位電池の電極間で1V程度の起電力が生じる。 When a fuel gas containing hydrogen as a main component and an oxidant gas (air) are supplied to the fuel cell main body 1, the following electrochemical reaction proceeds in each unit cell, and about 1V is generated between the electrodes of each unit cell. An electromotive force is generated.
燃料極 :2H2 → 4H++4e− (式1)
酸化剤極:O2+4H++4e− → 2H2O (式2)
Fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (Formula 1)
Oxidant electrode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (Formula 2)
燃料極では(式1)に示すように供給した水素は、水素イオンと電子に解離する。水素イオンは固体高分子膜を通って、電子は外部回路を通ってそれぞれ酸化剤極に移動する。一方、酸化剤極では(式2)に示すように供給した空気中の酸素と上記の水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。燃料電池本体1に供給され、反応に使用されなかったガスおよび加湿水蒸気と電池反応により生成した水は既反応ガスとして燃料電池本体1から排出されることから、既反応ガスには多量の水分が含まれる。 At the fuel electrode, as shown in (Formula 1), the supplied hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions move through the solid polymer film, and electrons move through the external circuit to the oxidant electrode. On the other hand, at the oxidizer electrode, as shown in (Formula 2), oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water. At this time, electrons passing through the external circuit become current and can supply power. Since the gas that has been supplied to the fuel cell body 1 and was not used for the reaction and the humidified water vapor and the water generated by the cell reaction are discharged from the fuel cell body 1 as the already reacted gas, a large amount of moisture is present in the already reacted gas. included.
反応ガス供給系2は空気供給系2aと燃料ガス供給系2bからなる。固体高分子形燃料電池では、電解質である固体高分子膜は湿潤状態でプロトン伝導性となることから反応ガス供給系2には一般的に加湿器2cが設けている。但し、メタンなどの炭化水素を原燃料として使用する場合には、燃料と水蒸気を反応させて水素リッチなガスに改質するための燃料改質器2dおよび加熱用バーナ2eが必要となるが、改質後の燃料ガスには水蒸気が含まれることから燃料ガス供給系2bについては加湿しない場合もある。
The reactive gas supply system 2 includes an
なお、図6では水蒸気改質に必要となる燃料改質器2dへの水蒸気供給ラインを省略している。また、2fはバーナ2eの排気系に設けられた熱交換器、2gは燃料改質器2dおよび加湿器2cから燃料電池本体1へ送出される反応ガスの供給配管である。 In FIG. 6, the steam supply line to the fuel reformer 2d necessary for steam reforming is omitted. Further, 2f is a heat exchanger provided in the exhaust system of the burner 2e, and 2g is a supply pipe for reaction gas sent from the fuel reformer 2d and the humidifier 2c to the fuel cell main body 1.
水分回収系3は燃料電池本体1から排出される電池反応後の既反応ガスに含まれる水分を除去する系であり、熱交換器3aと気液分離器3bから構成されていることが一般的である。酸化剤極側の気液分離器3bに回収される水は、反応ガスに予め加湿した水分および燃料電池本体1での(式2)の反応による生成水であり、一般的には回収する水量が多いことから、回収水はポンプ3cにより冷却水タンク4aに回収され冷却水または加湿水として利用される。なお、水分回収後の既反応の空気はシステム系外に排出される。
The moisture recovery system 3 is a system for removing moisture contained in the already-reacted gas after the cell reaction discharged from the fuel cell body 1, and is generally composed of a heat exchanger 3a and a gas-liquid separator 3b. It is. The water recovered in the gas-liquid separator 3b on the oxidizer electrode side is water that is pre-humidified in the reaction gas and water generated by the reaction of (Equation 2) in the fuel cell body 1, and generally the amount of water to be recovered Therefore, the recovered water is recovered in the cooling water tank 4a by the
燃料極側の気液分離器3aに回収される水は反応ガスに予め加湿した水分または燃料改質により含まれる水分が殆どであり系外に排出されることもあるが、システム内での水自立運転(外部から水をシステムに供給しないで運転)をする場合にはポンプ3cにより冷却水タンク4aに回収こともある。また、メタンなどの炭化水素を原燃料として使用する場合には、水分回収後の残燃料ガスは燃料改質に必要となる熱を供給するために残燃料ガス回収ライン3dにより燃料改質器2dに設けたバーナ2eに供給され燃焼される。
The water recovered by the gas-liquid separator 3a on the fuel electrode side is mostly water previously humidified in the reaction gas or water contained in the fuel reforming and may be discharged outside the system. When performing a self-supporting operation (operation without supplying water to the system from the outside), it may be collected in the cooling water tank 4a by the
電池本体冷却系4は燃料電池本体1で発電する際に生じる反応熱を系外に排出する系である。ポンプ4bにより冷却水タンク4aに貯蔵した冷却液を冷却液循環配管4cを介して燃料電池本体1の冷却板1cに循環している。冷却水タンク4aに回収された排熱は熱交換器4dにより回収され熱利用される。なお、温水として直接利用することも可能である。また、冷却液が水である場合はその一部を反応ガス加湿水として加湿器2cに供給して使用することができる。 The battery main body cooling system 4 is a system for discharging reaction heat generated when power is generated by the fuel cell main body 1 to the outside of the system. The coolant stored in the coolant tank 4a by the pump 4b is circulated to the cooling plate 1c of the fuel cell main body 1 through the coolant circulation pipe 4c. The exhaust heat recovered in the cooling water tank 4a is recovered by the heat exchanger 4d and used as heat. It can be used directly as hot water. Further, when the coolant is water, a part of the coolant can be supplied to the humidifier 2c as reaction gas humidified water and used.
上記の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、気液分離後の残燃料ガスを燃料改質器用燃焼バーナ2eに供給する残燃料ガス回収ライン3d中には多量の水蒸気を含むガスが流通する。このため、配管の温度が一部でも低くなるとその部分で水蒸気が凝縮し気液二相流体となるために種々の問題を引き起こす。例えば、気液分離後の残燃料ガスを燃料改質器用燃焼バーナ2eに供給する残燃料ガス回収ライン3d中で水蒸気が凝集すると、燃料改質器用燃焼バーナ2eが失火する場合がある。 In the above polymer electrolyte fuel cell power generation system, a gas containing a large amount of water vapor flows in the residual fuel gas recovery line 3d for supplying the residual fuel gas after gas-liquid separation to the combustion burner 2e for the fuel reformer. For this reason, when the temperature of the pipe is lowered even partly, the water vapor condenses in that part and becomes a gas-liquid two-phase fluid, causing various problems. For example, if water vapor condenses in the residual fuel gas recovery line 3d that supplies the residual fuel gas after gas-liquid separation to the fuel reformer combustion burner 2e, the fuel reformer combustion burner 2e may misfire.
さらに、電池本体冷却系4の冷却水タンク4aに保持された冷却液は微小の気泡を含む気液二相流体となっている。これは、システム運転中は排熱により冷却液は60℃〜80℃程度の温度となっていることから冷却液の一部が蒸発する事や、循環中に冷却液保持タンク4a内の気泡を巻き込むためである。上記の様に、冷却液に気相が混入すると水ポンプ3c内でキャビテーションが発生し、水供給能力が著しく低下し冷却性能が不安定となることがあった。従来は水ポンプ3cの上流に気抜き容器を設けるなど対策を実施しているが、十分な効果は得られていない。
Further, the coolant held in the coolant tank 4a of the battery main body cooling system 4 is a gas-liquid two-phase fluid containing minute bubbles. This is because during the operation of the system, the coolant is at a temperature of about 60 ° C. to 80 ° C. due to exhaust heat. This is to involve them. As described above, when a gas phase is mixed in the cooling liquid, cavitation occurs in the
これらの対策として、特許文献1には水蒸気の凝縮を防止するためにガス配管を保温する方法が、また、特許文献2には水を除去する手段として吸水剤を充填した吸水器を設ける方法が、特許文献3には、反応ガス中の水蒸気を凝縮水として気液分離する方法が開示されている。しかし、これらの方法は、いずれもその構造が複雑であるとか、気液の分離機能が不十分であって、好ましいものではなかった。 As countermeasures, Patent Document 1 discloses a method of keeping gas piping warm in order to prevent condensation of water vapor, and Patent Document 2 discloses a method of providing a water absorber filled with a water absorbing agent as means for removing water. Patent Document 3 discloses a method for gas-liquid separation using water vapor in a reaction gas as condensed water. However, these methods are not preferable because of their complicated structure or insufficient gas-liquid separation function.
このような燃料電池発電システムにおける気液二相流体に起因する問題点を解決するために、システムの各所に気液分離装置を設けることも考えられる。例えば、特許文献4には、気液二相流体が流れる配管の途中に液体の排出配管を分岐し、その分岐部分に多孔質体を配置することで、液体は多孔質体を通過して排出配管側に流れ、気体は多孔質体の細孔内に浸入した液体の毛細管力に阻止されて排出配管側へは流出することがないようにした気液分離装置が示されている。 In order to solve the problems caused by the gas-liquid two-phase fluid in such a fuel cell power generation system, it is conceivable to provide gas-liquid separators at various points in the system. For example, in Patent Document 4, a liquid discharge pipe is branched in the middle of a pipe through which a gas-liquid two-phase fluid flows, and a porous body is disposed at the branch portion, so that the liquid is discharged through the porous body. A gas-liquid separation device is shown in which the gas flows to the piping side, and the gas is blocked by the capillary force of the liquid that has entered the pores of the porous body and does not flow out to the discharge piping side.
確かに、特許文献4の気液分離装置は配管の分岐部分に毛細管力を利用した多孔質体を設けるという簡単な構成で、気液を効果的に分離できる利点がある。しかし、この種の気液分離装置は、多孔質体中に常時液体が存在しないと、気体の阻止効果がなくなるため、前記のような燃料電池発電システムの各所には利用できないものであった。すなわち、燃料電池発電システム内を流れる気体は、その運転時を通じて常時気液二相体であるとは限らない。 Certainly, the gas-liquid separation device of Patent Document 4 has an advantage that gas-liquid can be effectively separated with a simple configuration in which a porous body using capillary force is provided at a branching portion of a pipe. However, this type of gas-liquid separation device cannot be used in various parts of the fuel cell power generation system as described above, because the gas blocking effect is lost if no liquid is always present in the porous body. That is, the gas flowing in the fuel cell power generation system is not always a gas-liquid two-phase body throughout its operation.
そのため、多孔質体内に液体を捕捉した状態では気体のシール効果があったとしても、気体が配管内を流れている間に多孔質体内に存在する液体が蒸発して除去され、毛細管力によるウエットシール機能が失われるため、その部分から気体が分岐管側に漏れてしまう問題を生じる。また、発電停止中には配管内に気体が流通しないかまたは、湿度の低いパージガスが流通するため、多孔質体内に存在する液体が蒸発して除去され、毛細管力によるウエットシール機能が失われることから、起動時に反応ガスが漏れる問題を生じる。 Therefore, even if there is a gas sealing effect in a state where the liquid is trapped in the porous body, the liquid present in the porous body is evaporated and removed while the gas flows in the pipe, and the wet due to capillary force Since the sealing function is lost, there arises a problem that gas leaks from the portion to the branch pipe side. In addition, when power generation is stopped, gas does not circulate in the piping or purge gas with low humidity circulates, so that the liquid present in the porous body is evaporated and removed, and the wet seal function due to capillary force is lost. Therefore, there arises a problem that the reaction gas leaks at the time of startup.
上記の様に、固体高分子形燃料電池発電システム内には、既反応ガス配管や冷却水タンクの様に、内部に気相流体と液相流体からなる気液二相流体が流通する場所が多く、システム内の気液二相流体は電池性能を不安定にする、または著しく低下させることから、気液二相流体から液相流体を速やかに分離排出する必要がある。 As described above, in the polymer electrolyte fuel cell power generation system, there is a place where a gas-liquid two-phase fluid composed of a gas phase fluid and a liquid phase fluid circulates inside, such as a reaction gas pipe and a cooling water tank. In many cases, the gas-liquid two-phase fluid in the system makes the battery performance unstable or significantly deteriorates. Therefore, it is necessary to quickly separate and discharge the liquid-phase fluid from the gas-liquid two-phase fluid.
これらの要求に応えるため、前記特許文献4に示すような毛細管力を利用した簡単な構造の気液分離装置を燃料電池発電システムに使用した場合に、配管内を流れる相対湿度100%以下の気体により多孔質内に捕捉した液体が失われると、毛細管力によるシール機能が失われ、気体の漏洩が生じる不都合があった。 In order to meet these requirements, when a gas-liquid separator having a simple structure using capillary force as described in Patent Document 4 is used in a fuel cell power generation system, a gas having a relative humidity of 100% or less flowing in the pipe is used. If the liquid trapped in the porous material is lost, the sealing function due to the capillary force is lost and gas leakage occurs.
本発明は、バルブ操作など特別な制御を必要とせず、気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる気液分離装置及びそれを使用した燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 The present invention provides a gas-liquid separator capable of reliably and quickly separating and discharging only a liquid phase fluid from a gas-liquid two-phase fluid without requiring special control such as valve operation, and a fuel cell power generation system using the same. The purpose is to do.
より具体的には、水分回収系については、バルブ操作など特別な制御を必要とせず、気相流体を漏らすことなく、既反応ガス配管内に流通する気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出できる技術を提案する。電池本体冷却系については、水ポンプの上流に気抜き容器を設けるなど必要とせず、冷却水タンク中の微小の気泡を含む冷却液から液相流体を速やかに分離供給できる技術を提案する。 More specifically, for the water recovery system, no special control such as valve operation is required, and only the liquid phase fluid is removed from the gas-liquid two-phase fluid circulating in the existing reaction gas piping without leaking the gas phase fluid. We propose a technology that can reliably and promptly separate and discharge. Regarding the battery main body cooling system, a technique is proposed in which a liquid phase fluid can be promptly separated and supplied from a cooling liquid containing minute bubbles in a cooling water tank without requiring an air vent container upstream of the water pump.
また、前記燃料電池発電システムの各系統に使用する気液分離装置として、相対湿度100%以下の気体のように配管内を流れる流体から液体の供給がなくても、多孔質体内に存在する液体が乾燥することなく、毛細管力によるシール機能が確実に発揮され、配管内を流れる気体の漏洩を防止できる技術を提案する。 In addition, as a gas-liquid separator used in each system of the fuel cell power generation system, a liquid that exists in a porous body can be obtained even if no liquid is supplied from a fluid flowing in a pipe such as a gas having a relative humidity of 100% or less. We propose a technology that can reliably prevent the leakage of gas flowing in the piping without causing the air to dry and the sealing function by capillary force to be exerted reliably.
前記の目的を達成するために、本発明の気液分離装置は、気液二相流体から凝縮した液体を貯留するタンクと、このタンクにおける前記液体の貯溜面よりも低い位置に設けられた液体の排出配管と、この排出配管に設けられた毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体とを備えていることを特徴とする。前記多孔質体の平均気孔半径は20μm以下であることが望ましい。前記タンク内に、気相流体を凝縮し液相流体とするための熱交手段が設けられていても良い。 In order to achieve the above object, a gas-liquid separation device according to the present invention includes a tank for storing liquid condensed from a gas-liquid two-phase fluid, and a liquid provided at a position lower than the liquid storage surface in the tank. And a porous body that prevents the flow of gas by a capillary force provided in the discharge pipe. The average pore radius of the porous body is preferably 20 μm or less. A heat exchange means for condensing the gas phase fluid into a liquid phase fluid may be provided in the tank.
本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記の燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、前記燃料電池本体から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収する水分回収系と、前記電池本体で発生する熱を除去するための電池本体冷却系を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記水回収系には、既反応ガスが供給される熱交換器と、この熱交換器によって凝縮された既反応ガスに含まれる水分を貯留するタンクと、このタンクにおける前記液体の貯溜面よりも低い位置に設けられた液体の排出配管と、この排出配管に配置されて毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が設けられていることを特徴とする。 The fuel cell power generation system of the present invention includes a fuel cell main body, a reaction gas supply system for supplying a reaction gas to the fuel cell main body, and a water for recovering water contained in the existing reaction gas discharged from the fuel cell main body. In a fuel cell power generation system including a recovery system and a battery main body cooling system for removing heat generated in the battery main body, the water recovery system includes a heat exchanger supplied with a reaction gas, and the heat A tank for storing water contained in the already-reacted gas condensed by the exchanger, a liquid discharge pipe provided at a position lower than the liquid storage surface in the tank, and a capillary force disposed in the discharge pipe Is provided with a porous body that prevents the flow of gas.
また、電池本体冷却系には、燃料電池本体を冷却するために循環する冷却水を貯留する冷却水タンクと、この冷却水タンクにおける前記液体の貯溜面よりも低い位置に設けられた液体の排出配管と、この排出配管部分に配置されて毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体とが設けられていることを特徴とする。 The battery main body cooling system includes a cooling water tank that stores cooling water that circulates to cool the fuel cell main body, and discharge of liquid provided at a position lower than the liquid storage surface in the cooling water tank. A pipe and a porous body that is disposed in the discharge pipe portion and that prevents the flow of gas by a capillary force are provided.
前記のような構成を有する本発明の燃料電池発電システムによれば、水回収系あるいは燃料電池本体の冷却系を流れる気液二相流体から液体を簡単かつ確実に除去することができるので、優れた電池性能を確保することができる。また、気液分離装置として、タンクにおける前記液体の貯溜面よりも低い位置に設けられた液体の排出配管と、この排出配管部分に多孔質体を配置したものを使用したため、多孔質体は常に液体中に保持されることになるので、毛細管力によるシール機能を確実に発揮することができ、気体が液体の排出配管を通って漏洩するおそれがない。 According to the fuel cell power generation system of the present invention having the above-described configuration, the liquid can be easily and surely removed from the gas-liquid two-phase fluid flowing through the water recovery system or the cooling system of the fuel cell body. Battery performance can be ensured. Further, as the gas-liquid separation device, a liquid discharge pipe provided at a position lower than the liquid storage surface in the tank and a porous body disposed in the discharge pipe portion are used. Since it is held in the liquid, the sealing function by the capillary force can be surely exhibited, and there is no possibility that the gas leaks through the liquid discharge pipe.
以下、本発明を実施するための最良の形態の幾つかを順次説明する。なお、前記図6に示した従来の燃料電池発電システムと共通の部分については共通の符号を付し、説明は省略する。 Hereinafter, some of the best modes for carrying out the present invention will be sequentially described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the part which is common in the conventional fuel cell power generation system shown in the said FIG. 6, and description is abbreviate | omitted.
(1)第1実施形態
本実施形態は、燃料電池発電システムにおける電池本体冷却系4における冷却水タンク4aに、本発明の気液分離装置10を配設したものである。すなわち、図2の拡大図に示すように、気液二相流体である冷却水が貯留されている冷却水タンク4aの底部に、冷却水循環配管に連なる排水配管11を接続する。この場合、冷却水タンク4a内には常時一定量の冷却水を貯留することで、その液面が排水配管11の接続位置よりも常に高い位置にあるようにする。すなわち、冷却水タンク4a内の冷却水が減少し、その上部の空気が排水配管11に入り込むことがないように、排水配管11の接続位置を決定する。
(1) 1st Embodiment This embodiment arrange | positions the gas-liquid separation apparatus 10 of this invention in the cooling water tank 4a in the battery main body cooling system 4 in a fuel cell power generation system. That is, as shown in the enlarged view of FIG. 2, the drainage pipe 11 connected to the cooling water circulation pipe is connected to the bottom of the cooling water tank 4a in which the cooling water that is a gas-liquid two-phase fluid is stored. In this case, a constant amount of cooling water is always stored in the cooling water tank 4 a so that the liquid level is always higher than the connection position of the drain pipe 11. That is, the connection position of the drainage pipe 11 is determined so that the cooling water in the cooling water tank 4 a is reduced and the air above it does not enter the drainage pipe 11.
前記のように設けられた排水配管11から気抜き配管12を分岐して、これを冷却水タンク4aの上部(貯留する冷却水の水面よりも上部)に接続する。また、排水配管11における気抜き配管12の分岐位置よりも下流側(冷却水タンク4aと反対側)には、厚さ5mm、平均気孔半径が15μmの多孔質体13を配置した。本実施形態で使用した多孔質体13は発泡金属であるが、カーボン材、樹脂など耐腐食性を有するものであれば良い。また、濾過紙などの多孔質膜でも良い。 The vent pipe 12 is branched from the drain pipe 11 provided as described above, and this is connected to the upper part of the cooling water tank 4a (above the water level of the stored cooling water). In addition, a porous body 13 having a thickness of 5 mm and an average pore radius of 15 μm was disposed on the downstream side (the side opposite to the cooling water tank 4a) of the vent pipe 12 in the drain pipe 11. The porous body 13 used in the present embodiment is a foam metal, but may be any material having corrosion resistance such as a carbon material or a resin. Further, a porous membrane such as filter paper may be used.
このような構成を有する本実施形態において、冷却水タンク4aに保持された冷却液は、前記従来技術で説明したような理由から、微小の気泡を含む気液二相流体となっているが、この気液二相流体は燃料電池の運転に伴い、冷却液循環ポンプ4bによって冷却水タンク底部から排水配管11内に吸引され、多孔質体13に達する。この多孔質体13は、排水配管11内の水中に配置されているため、そのウエットシール機能が発揮され、気液二相流体中の液体のみが通過を許容され、気相流体は冷却水循環配管4d側に移動することができない。その結果、多孔質体13の冷却水タンク4a側で気体が捕捉され、集まった気体は気抜き配管12から冷却水タンク4aの上部に戻ることになる。 In the present embodiment having such a configuration, the cooling liquid held in the cooling water tank 4a is a gas-liquid two-phase fluid containing minute bubbles for the reason described in the above-described prior art. This gas-liquid two-phase fluid is sucked into the drainage pipe 11 from the bottom of the cooling water tank by the cooling liquid circulation pump 4 b along with the operation of the fuel cell and reaches the porous body 13. Since the porous body 13 is disposed in the water in the drain pipe 11, its wet seal function is exhibited, only the liquid in the gas-liquid two-phase fluid is allowed to pass, and the gas phase fluid is the cooling water circulation pipe. It cannot move to the 4d side. As a result, the gas is trapped on the cooling water tank 4a side of the porous body 13, and the collected gas returns from the vent pipe 12 to the upper part of the cooling water tank 4a.
一般的に、多孔質体13のウエットシール機能は、多孔質体13内の水の毛細管力により決定され、多孔質体13の毛細管力ΔPは以下の式で計算できる。
ΔP=2σCOSθ/r
σ:水の表面張力
θ:水の濡れ接触角
r:細孔半径
Generally, the wet seal function of the porous body 13 is determined by the capillary force of water in the porous body 13, and the capillary force ΔP of the porous body 13 can be calculated by the following equation.
ΔP = 2σCOSθ / r
σ: Surface tension of water θ: Contact angle of water r: Pore radius
例えば、水を含んだ気孔半径20μmの多孔質体13の毛細管力ΔPは上記の式より約5kPaとなる。この場合、気相流体を前記の多孔質体13を通過させるには5kPa以上の圧力が必要になる。燃料電池本体1を常圧雰囲気で発電する場合は、反応ガス供給圧力は3kPa程度であり、5kPa以上のウエットシール機能が必要であることから、多孔質体13の気孔半径を20μm以下とすることが好ましい。 For example, the capillary force ΔP of the porous body 13 containing water and having a pore radius of 20 μm is about 5 kPa from the above formula. In this case, a pressure of 5 kPa or more is required to pass the gas phase fluid through the porous body 13. When the fuel cell main body 1 generates power in an atmospheric pressure atmosphere, the reaction gas supply pressure is about 3 kPa, and a wet seal function of 5 kPa or more is necessary. Therefore, the pore radius of the porous body 13 should be 20 μm or less. Is preferred.
上記の様に、本実施形態によれば、冷却水タンク4aの底部に設けた排水配管11内に多孔質体13を配置するという簡単な構成により、冷却水内に含まれる気泡を排除して、冷却水のみを循環ポンプ4dや冷却板1cに循環させることが可能になる。その結果、燃料電池本体の冷却効率や循環ポンプ4dの動作効率が向上する。しかも、冷却水タンク4aに接続する排水配管11の位置を常時冷却水が配管内を満たすような位置としたので、多孔質体13の細孔内には常時液体が存在し毛細管力が失われることがなく、ウェットシール機能が保持されるため、排水配管11内の気体が冷却水循環配管4d側に漏洩することもない。 As described above, according to the present embodiment, air bubbles contained in the cooling water are eliminated by a simple configuration in which the porous body 13 is disposed in the drain pipe 11 provided at the bottom of the cooling water tank 4a. Only the cooling water can be circulated through the circulation pump 4d and the cooling plate 1c. As a result, the cooling efficiency of the fuel cell body and the operating efficiency of the circulation pump 4d are improved. Moreover, since the position of the drainage pipe 11 connected to the cooling water tank 4a is set to a position where the cooling water always fills the pipe, liquid always exists in the pores of the porous body 13 and the capillary force is lost. Since the wet seal function is maintained, the gas in the drain pipe 11 does not leak to the cooling water circulation pipe 4d side.
なお、本実施形態に設ける気液分離装置10の構成は、図2のものに限定されるものではない。例えば、図3に示すように、排水配管11の入口部分に多孔質体13を設けることで、気抜き配管12を設けることなく、多孔質体13で分離された気体を冷却水タンク4aの上部に集めることも可能である。 In addition, the structure of the gas-liquid separation apparatus 10 provided in this embodiment is not limited to the thing of FIG. For example, as shown in FIG. 3, by providing the porous body 13 at the inlet portion of the drain pipe 11, the gas separated by the porous body 13 can be supplied to the upper part of the cooling water tank 4a without providing the vent pipe 12. It is also possible to collect them.
(2)第2実施形態
図4は、本発明の第2実施形態を示すものであって、この実施形態は、図6に示す従来の燃料電池発電システムでは燃料極側および酸化剤極側で分離排出した水をそれぞれ気液分離器3b,3bに蓄え、一定水量になった時にポンプ3cおよびバルブ3eを操作して冷却水タンク4aに水を排出していたのに対して、従来の気液分離器3b、ポンプ3c、バルブ3e等を必要とせず、分離排出した水を直接、冷却水タンク4aに排出するようにしたものである。
(2) Second Embodiment FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. This embodiment is a fuel electrode side and an oxidant electrode side in the conventional fuel cell power generation system shown in FIG. The separated and discharged water is stored in the gas-liquid separators 3b and 3b, respectively, and when the amount of water reaches a certain level, the
すなわち、本実施形態では、図5の拡大図に示すように、燃料極1aからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器のタンク17の底部に排水配管11を接続し、この排水配管11の出口を酸化剤極1bからの既反応ガスの配管上に設けられた熱交換器のタンク18の側面に接続する。また、熱交換器のタンク18の底部に設けたドレン配管19を冷却水タンク4aに接続する。この場合、排水配管11は、熱交換器タンク18内に貯留される凝縮水の液面よりも常時低くなる位置に接続する。凝縮水の液面を排水配管11の接続位置よりも常時高くするためには、ドレン配管19の接続位置を排水配管11の接続位置よりも常時高くする。 That is, in this embodiment, as shown in the enlarged view of FIG. 5, the drain pipe 11 is connected to the bottom of the tank 17 of the heat exchanger provided on the pipe of the already reacted gas from the fuel electrode 1a. The outlet of the pipe 11 is connected to the side surface of the tank 18 of the heat exchanger provided on the pipe of the already reacted gas from the oxidant electrode 1b. Further, a drain pipe 19 provided at the bottom of the tank 18 of the heat exchanger is connected to the cooling water tank 4a. In this case, the drain pipe 11 is connected to a position that is always lower than the level of the condensed water stored in the heat exchanger tank 18. In order to make the liquid level of the condensed water always higher than the connection position of the drain pipe 11, the connection position of the drain pipe 19 is always higher than the connection position of the drain pipe 11.
このような構成を有する本実施形態では、熱交換器タンク17内で凝縮した燃料極1aからの既反応ガス内の水分は、熱交換器タンク17底部の気液分離装置10を通って、酸化剤極1bからの既反応ガスが導入される熱交換器タンク18に回収される。この場合、気液分離装置10の多孔質体13によって燃料極1aからの残燃料ガスが熱交換器タンク18側に漏洩することが確実に防止される。一方、酸化剤極1bからの既反応ガスは、熱交換器タンク18内の熱交換器によって、それに含まれた液体(水分)が凝縮され、熱交換器タンク18底部に溜まる。このようにして、熱交換器タンク18底部に溜まった両系統の既反応ガスから除去された液体は、ドレン配管19を介して冷却液タンク4aに回収される。 In the present embodiment having such a configuration, moisture in the already reacted gas from the fuel electrode 1a condensed in the heat exchanger tank 17 passes through the gas-liquid separator 10 at the bottom of the heat exchanger tank 17 and is oxidized. The existing reaction gas from the agent electrode 1b is collected in the heat exchanger tank 18 into which it is introduced. In this case, the porous fuel 13 of the gas-liquid separator 10 reliably prevents the residual fuel gas from the fuel electrode 1a from leaking to the heat exchanger tank 18 side. On the other hand, the already-reacted gas from the oxidant electrode 1 b is condensed by the liquid (water) contained in the heat exchanger in the heat exchanger tank 18 and collected at the bottom of the heat exchanger tank 18. In this way, the liquid removed from the already-reacted gas of both systems collected at the bottom of the heat exchanger tank 18 is collected in the coolant tank 4a via the drain pipe 19.
この場合、本実施形態では、熱交換器タンク18のドレン配管19上に気液分離装置10を設けることも可能であるが、酸化剤極1bからの既反応ガスに含まれる液体は水分が主であり、また、水分が除去された気体は大気中に排気されることから、燃料極1aからの既反応ガスの場合に比較して水分の除去の程度が緩やかであるため、特に、気液分離装置10を設けなくても良い。 In this case, in this embodiment, the gas-liquid separator 10 can be provided on the drain pipe 19 of the heat exchanger tank 18, but the liquid contained in the already-reacted gas from the oxidizer electrode 1b is mainly water. In addition, since the gas from which moisture has been removed is exhausted to the atmosphere, the degree of moisture removal is gentle compared to the case of the already reacted gas from the fuel electrode 1a. The separation device 10 may not be provided.
上記の様に、本実施形態によれば、水ポンプやバルブ操作など特別な制御を必要とせず、気相流体を漏らすことなく、既反応ガス配管内に流通する気液二相流体から液相流体のみを確実に、かつ速やかに分離排出することより、安定したシステムの運転が可能となる。すなわち、既反応ガス排出配管2h内を流れる気液二相流体は、熱交換器16によってその液体が凝縮され、タンク17内に滴下する。タンク17内に貯留した液体は多孔質体13を有する排水配管11を通過して気液分離装置10外部に排出され、一方、液体が除去された気体は残燃料ガスとして改質器バーナ2eに送られる。また、水を分離排出した後の酸化剤極1b側の既反応ガスはそのまま大気に排出される。 As described above, according to the present embodiment, the liquid phase from the gas-liquid two-phase fluid that circulates in the existing reaction gas pipe without leaking the gas-phase fluid without requiring special control such as a water pump or valve operation. Since the fluid alone is reliably and promptly separated and discharged, stable system operation is possible. That is, the gas-liquid two-phase fluid flowing in the already-reacted gas discharge pipe 2 h is condensed by the heat exchanger 16 and dropped into the tank 17. The liquid stored in the tank 17 passes through the drain pipe 11 having the porous body 13 and is discharged to the outside of the gas-liquid separator 10. On the other hand, the gas from which the liquid has been removed is sent to the reformer burner 2 e as a residual fuel gas. Sent. Further, the already reacted gas on the oxidizer electrode 1b side after the water is separated and discharged is directly discharged to the atmosphere.
このような構成を有する本実施形態によれば、従来の気液分離器、ポンプ、バルブ等が不要となるので、従来技術の比較して簡単な構成により、燃料電池本体からの既反応ガス中の水分を除去して、大気へ排気あるいは燃焼バーナに供給することが可能になる。特に、熱交換器16を設けることにより、気液二相流体中に含まれた液体の凝縮を促進して、より効率良く液体を分離できる利点もある。 According to the present embodiment having such a configuration, the conventional gas-liquid separator, pump, valve, and the like are not required, and therefore, in the already-reacted gas from the fuel cell main body, the configuration is simple compared with the prior art. It is possible to remove the water and supply it to the atmosphere or to the combustion burner. In particular, by providing the heat exchanger 16, there is also an advantage that the liquid contained in the gas-liquid two-phase fluid is promoted to be separated and the liquid can be separated more efficiently.
1…燃料電池本体
2…反応ガス供給系
3…水分回収系
4…電池本体冷却系
10…気液分離装置
11…排出配管
12…気抜き配管
13…多孔質体
16…熱交換器
17,18…熱交換器タンク
19…ドレン配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell main body 2 ... Reaction gas supply system 3 ... Water | moisture-content recovery system 4 ... Battery main body cooling system 10 ... Gas-liquid separator 11 ... Exhaust pipe 12 ... Venting pipe 13 ... Porous body 16 ... Heat exchanger 17,18 ... Heat exchanger tank 19 ... Drain piping
Claims (6)
気液二相流体から凝縮した液体を貯留するタンクと、このタンクにおける前記液体の貯溜面よりも低い位置に設けられた液体の排出配管と、この排出配管に設けられた毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体とを備えていることを特徴とする気液分離装置。 In a gas-liquid separator that separates a liquid-phase fluid from a gas-liquid two-phase fluid composed of a gas-phase fluid and a liquid-phase fluid,
A tank for storing the liquid condensed from the gas-liquid two-phase fluid, a liquid discharge pipe provided at a position lower than the storage surface of the liquid in the tank, and a gas flow by the capillary force provided in the discharge pipe A gas-liquid separation device comprising: a porous body that inhibits water.
前記水回収系には、既反応ガスが供給される熱交換器と、この熱交換器によって凝縮された既反応ガスに含まれる水分を貯留するタンクと、このタンクにおける前記液体の貯溜面よりも低い位置に設けられた液体の排出配管と、この排出配管に配置されて毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。 Generated in the fuel cell main body, a reactive gas supply system for supplying reactive gas to the fuel cell main body, a moisture recovery system for recovering moisture contained in the reactive gas discharged from the fuel cell main body, and the battery main body In a fuel cell power generation system having a battery main body cooling system for removing heat to
The water recovery system includes a heat exchanger to which the already-reacted gas is supplied, a tank for storing moisture contained in the already-reacted gas condensed by the heat exchanger, and a storage surface for the liquid in the tank. A fuel cell power generation system comprising: a liquid discharge pipe provided at a low position; and a porous body disposed in the discharge pipe to prevent gas flow by a capillary force.
前記電池本体冷却系には、燃料電池本体を冷却するために循環する冷却水を貯留する冷却水タンクと、この冷却水タンクにおける前記液体の貯溜面よりも低い位置に設けられた液体の排出配管と、この排出配管部分に配置されて毛細管力によって気体の流通を阻止する多孔質体とが設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。 Generated in the fuel cell main body, a reactive gas supply system for supplying reactive gas to the fuel cell main body, a moisture recovery system for recovering moisture contained in the reactive gas discharged from the fuel cell main body, and the battery main body In a fuel cell power generation system having a battery main body cooling system for removing heat to
The battery main body cooling system includes a cooling water tank that stores cooling water that circulates to cool the fuel cell main body, and a liquid discharge pipe that is provided at a position lower than the liquid storage surface in the cooling water tank. And a porous body that is disposed in the discharge pipe portion and prevents a gas flow by a capillary force.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005351268A JP2007157508A (en) | 2005-12-05 | 2005-12-05 | Gas liquid separator and fuel cell power generation system with gas liquid separator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005351268A JP2007157508A (en) | 2005-12-05 | 2005-12-05 | Gas liquid separator and fuel cell power generation system with gas liquid separator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007157508A true JP2007157508A (en) | 2007-06-21 |
Family
ID=38241612
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005351268A Pending JP2007157508A (en) | 2005-12-05 | 2005-12-05 | Gas liquid separator and fuel cell power generation system with gas liquid separator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007157508A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009032641A (en) * | 2007-07-26 | 2009-02-12 | Hyundai Motor Co Ltd | Condensed water exhaust device for fuel cell |
KR101417120B1 (en) | 2008-11-07 | 2014-07-08 | 현대자동차주식회사 | Water trap system for fuel cell vehicle |
CN112952147A (en) * | 2019-12-11 | 2021-06-11 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Heat conduction oil path distribution structure |
KR102279413B1 (en) * | 2020-12-11 | 2021-07-20 | 주식회사 미코파워 | Water tank for fuel cell capable of recycling water and fuel cell system having the water tank |
CN113745567A (en) * | 2021-08-26 | 2021-12-03 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | Fuel cell power supply system based on phase change energy storage |
CN115498214A (en) * | 2022-08-29 | 2022-12-20 | 苏州市华昌能源科技有限公司 | Two-fluid humidifying method for fuel cell testing system |
-
2005
- 2005-12-05 JP JP2005351268A patent/JP2007157508A/en active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009032641A (en) * | 2007-07-26 | 2009-02-12 | Hyundai Motor Co Ltd | Condensed water exhaust device for fuel cell |
KR101417120B1 (en) | 2008-11-07 | 2014-07-08 | 현대자동차주식회사 | Water trap system for fuel cell vehicle |
CN112952147A (en) * | 2019-12-11 | 2021-06-11 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Heat conduction oil path distribution structure |
KR102279413B1 (en) * | 2020-12-11 | 2021-07-20 | 주식회사 미코파워 | Water tank for fuel cell capable of recycling water and fuel cell system having the water tank |
CN113745567A (en) * | 2021-08-26 | 2021-12-03 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | Fuel cell power supply system based on phase change energy storage |
CN113745567B (en) * | 2021-08-26 | 2023-01-31 | 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 | Fuel cell power supply system based on phase change energy storage |
CN115498214A (en) * | 2022-08-29 | 2022-12-20 | 苏州市华昌能源科技有限公司 | Two-fluid humidifying method for fuel cell testing system |
CN115498214B (en) * | 2022-08-29 | 2023-12-12 | 苏州市华昌能源科技有限公司 | Two-fluid humidifying method for fuel cell testing system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5022592B2 (en) | Gas-liquid separator and fuel cell power generation system equipped with gas-liquid separator | |
JP4456188B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2004178818A (en) | Fuel cell system | |
JP4072707B2 (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell power generator and its operation method | |
JP4624670B2 (en) | Integration of the functions of many components of a fuel cell power plant | |
JP2007157508A (en) | Gas liquid separator and fuel cell power generation system with gas liquid separator | |
JP2012134067A (en) | Fuel cell system | |
US20070190370A1 (en) | Air and liquid separator and fuel cell system therefor | |
JP2000208156A (en) | Solid polymer fuel cell system | |
JP2009259779A (en) | Fuel cell and fuel cell system | |
JP3705182B2 (en) | Water circulation device | |
JP2009064619A (en) | Fuel cell system | |
JPH0922717A (en) | Solid highpolymer electrolyte type fuel cell | |
JP2010129482A (en) | Fuel cell separator, fuel cell stack, and fuel cell system | |
JP2006338984A (en) | Fuel cell system | |
JP2017109919A (en) | Hydrogen generator and fuel cell system | |
JP4628431B2 (en) | CO2 separator for direct methanol fuel cell | |
JP2005093374A (en) | Fuel cell power generating system, and method of stopping the same | |
JP2000208158A (en) | Solid polymer electrolyte type fuel cell power generating device | |
JP2008121910A (en) | Humidity exchange type humidifier and fuel cell power generation system using the same | |
JP5103411B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2007299644A (en) | Fuel cell system | |
JP5430318B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2006286259A (en) | Generator and humidification device | |
JP2008243540A (en) | Polymer electrolyte fuel cell power-generating device |